— Objavljeno 07/10/2015 / Bug.hr.
Švedska kraljevska akademija znanosti upravo je objavila da Nobelovu nagradu za fiziku za 2015. godinu dodjeljuje "za otkriće neutrinskih oscilacija, koje pokazuje da neutrini imaju masu". Dobitnici su Takaaki Kajita, Japanac sa Sveučilišta u Tokiju i Arthur B. McDonald, Kanađanin sa Sveučilišta Queen's u Kingstonu.
Objasniti neutronske oscilacije na laičkom nivou nije nimalo lak zadatak. Radi se o prirodnoj pojavi iz svijeta elementarnih čestica za čije je razumijevanje potrebno dosta predznanja. Kao prvo, neutrino ne treba miješati s neutronom. Neutron je neutralni nukleon, jedna od dvije vrste čestica koje grade atomsku jezgru. Neutron je složena čestica, koja se sastoji od tri kvarka, te ima relativno veliku masu. Neutrino je također neutralna čestica – bez električnog naboja – ali ne složena, nego elementarna, što znači da se ne sastoji od jednostavnijih čestica. Donedavno se uzimalo da je masa neutrina nula, kao i masa fotona – čestice svjetlosti. Iz eksperimenata je dotad bilo poznato jedino to da su neutrini iznimno lagane čestice čija je masa, ako uopće postoji, puno manja od mase najlakše poznate masivne čestice – elektrona.
No, daleko najzanimljivije svojstvo neutrina je iznimno slabo međudjelovanje s materijom. Od četiri postojeće temeljne sile za neutrino je relevantna samo jedna – slaba sila. Ta sila mijenja okuse kvarkova odnosno pretvara jednu vrstu kvarka u drugu. Zahvaljujući slaboj sili slobodni neutron, onaj koji nije u atomskoj jezgri, raspada se na proton, elektron i neutrino (točnije bi zapravo bilo reći elektronski antineutrino). Čestice prenostitelji, ili medijatori, slabe sile su W-bozon i Z-bozon. Z je također neutralan, a W ima pozitivnu i negativnu varijantu. W i Z-bozoni, ili slabi bozoni, otkriveni su još 1983. godine na CERN-u za što su Nobelovu nagradu bili podijelili Carlo Rubbia i Simon van der Meer. Slabi bozoni imaju relativno veliku masu što pak znači da doseg slabe sile jako mali.
Slabost slabe sile najbolje se iskazuje kroz bizarno malu vjerojatnost da neutrino međudjeluje s materijom. Ta vjerojatnost nije nula, ali je toliko mala da je za neutrino svemir praktički prazan. Kad neutrino jednom nastane on se giba, gotovo brzinom svjetlosti, kroz prazan prostor ili kroz gustu materiju, svejedno, kao da njegovom putu ničega nema. Može proći kroz cijelu Zemlju bez da doživi ijednu interakciju. Fizičari stoga za neutrine ponekad kažu da su čestice-duhovi. Kroz naše tijelo svake sekunde prođe oko bilijun (milijun milijuna) neutrina. Veliki američki književnik John Updike (1932. - 2009.) bio je toliko impresioniran tom činjenicom da je, 1959. godine, o neutrinima napisao pjesmu Cosmic Gall. Tu sam pjesmu bio preveo prije šest godina i objavio u časopisu Čovjek i svemir. Sad je prilika da se podsjetimo Updikeovog doživljaja neutrina:
KOZMIČKA JADIKOVKA
Neutrini, oni mali su tako.
Nemaju ni naboja ni mase
I ne međudjeluju nikako.
Za njih je Zemlja lopta glupa
Kroz koju jednostavno prolaze,
Kao čistač koji kroz hodnik stupa
Ili fotoni što kroz staklo plaze.
Oni preziru plin najbajniji,
Ignoriraju najtvrđi zid,
Hladni čelik i mjed najsjajniji,
Pastuha u staji nije ih stid.
Klasne razlike ništa im ne znače,
I u Vas i u mene se uvlače!
Kao giljotina prolaze nam kroz glavu
I padaju ravno dolje u travu.
Noću, kod Nepala ulaze
I probadaju ljubavnike mrsko
Ispod kreveta idu im staze –
Vama je to divno; meni je to drsko.
Veliki izvor neutrina u našem kozmičkom susjedstvu je Sunce. Zbog nuklearnih reakcija unutar Sunca na svaki kvadratni centimetar Zemlje svake sekunde sa Sunca stigne sto milijardi neutrina. Taj broj približno odgovara broju zvijezda u našoj galaksiji ili broju galaksija u cijelom svemiru. I većina tih neutrina nas potpuno ignorira. Prođu kroz Zemlju puno lakše nego svjetlost kroz staklo. Mnogi fotoni, naime, "zaglave" u staklu – budu apsorbirani ili raspršeni zbog interakcije s nekim atomom. Neutrini rijetko kad zaglave. Primjerice, od svih neutrina koji prođu kroz naše tijelo u cijelom životu, a svake sekunde prođe njih bilijun, tek jedan interagira.
Neutrini su očito čestice koje je iznimno teško uhvatiti. Ipak, fizičari su našli način kako da detektiraju pojedinačne neutrine koji na Zemlju stižu sa Sunca ili iz dalekih kozmičkih objekata. Spomenute 1983. godine, kad je bila dodijeljena Nobelova nagrada za otkriće medijatora slabe sile, Japanci su dovršili gradnju detektora KamiokaNDE. Bio je to ogromni rezervoar ispunjen s 3000 tona čiste vode čije su unutrašnje stijenke bile pokrivene fotosenzorima. Svaka dva dana, u prosjeku, dodađala se jedna interakcija neutrina. To znači da je jedan neutrino "doživio" interakciju s jednim kvarkom nekog nukleona neke jezgre nekog atoma neke molekule vode. Tijekom dvadesetak godina uhvaćeno je par tisuća neutrina. Za te rezultate Nobelovu nagradu dobili su, 2002. godine, Raymond Davis mlađi i Masatoshi Koshiba.
Uspjesi detektora KamiokaNDE potaknuli su gradnju drugih neutrinskih detektora. U jednom japanskom rudniku cinka, dubokom 1000 m, proradio je, 1996. godine, detektor Super-Kamiokande s 50000 tona vode. U drugom rudniku, ovaj put rudniku nikla u Ontariju, pušten je u pogon Neutrinski opservatorij Sudbury, 1999. godine. KamiokaNDE mogao je opažati oko šest neutrina na dan, a Neutrinski opservatorij Sudbury oko tri neutrina na dan. Ta dva detektora zaslužna su za otkriće pojave koje nazivamo neutrinskim oscilacijama.
U standardnom modelu čestica i sila ne postoji samo jedna vrsta neutrina, nego njih tri: elektronski neutrino, mionski neutrino i tau-neutrino. Ti neutrini odgovaraju elektronu i njegovoj težoj braći: mionu i tau-leptonu. Različite neutrine, kao i različite kvarkove, fizičari doduše ne nazivaju vrstama nego okusima. Neutrinske oscilacije su, najkraće rečeno, periodična promjena okusa neutrina. Dakle, neutrino biva proizveden u jednom okusu, ali kako putuje mijenja okuse. Vrlo neobična kvantna pojava koja je teorijski predviđena još 1957. godine. Najbolja ilustracija koja mi pada na pamet je periodična transformacija Pink Pantera na kraju crtića Pink Sfinga.
Neutrinske oscilacije dosad su potvrđene u više eksperimenata, u različitim kontekstima. Jedan od poznatih astrofizičkih problema koji je objašnjen neutrinskim oscilacijama jest problem solarnih neutrina. Taj je problem uočen sredinom 1960-ih i postojao je do početka 21. stoljeća dok ga nisu objasnili rezultati spomenutih eksperimenata. Super-Kamiokande je prvu pouzdanu potvrdu dao 1998. godine. Konačnu potvrdu dao je Neutrinski opservatorij Sudbury, 2001. godine. Tad je znanstvena zajednica prihvatila činjenicu da neutrini osciliraju. Posljedica toga nije bezazlena. Naime, teorija predviđa da se oscilacije događaju samo u slučaju da neutrini imaju masu. A standardni model čestica i sila, najbolja dosadašnja teorija gradivnih elemenata svijeta, predviđa bezmasene neutrine. Što očito pokazuje da je standardni model nepotpun. U to smo već sumnjali, no sad imamo pouzdanu potvrdu. A nepotpuni standardni model ne baca fizičare u očaj. Naprotiv, čini ih sretnima jer širom otvara vrata novoj fizici.